Oscillateurs et ampli?cateurs à ?bres dopées aux ions Ytterbium et applications en optique non linéaire
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Oscillateurs et ampli?cateurs à ?bres dopées aux ions Ytterbium et applications en optique non linéaire

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Description

Sous la direction de Eric Freysz
Thèse soutenue le 01 avril 2009: Bordeaux 1
Ce travail de thèse a eu pour but de développer des nouvelles sources lasers, oscillateurs et ampli?cateurs, construites autour des ?bres dopées aux ions ytterbium. Ces systèmes lasers génèrent des fortes puissances moyennes. L’oscillateur réalisé délivre des impulsions courtes (<10 ns) avec des énergies de l’ordre du milliJoule. Le système fonctionne à des cadences variables (10-100 kHz) avec un faisceau polarisé, monomode dont la largeur spectrale est inférieure à 0.1 nm. A?n d’avoir de plus fortes puissances crêtes et des impulsions courtes, deux types d’ampli?- cateurs ont été étudiés. Les résultats expérimentaux que nous avons obtenus sont en accord avec le modèle numérique développé. Le premier système ampli?e un microlaser émettant à 1064 nm dans une ?bre dopée ytterbium. Des puissances crêtes supérieures à 500 kW ont été obtenues avec des impulsions de l’ordre de la nanoseconde et une cadence comprise entre 1 kHz et 30 kHz. Le second ampli?cateur est construit autour d’un oscillateur à ?bre dopée ytterbium déclenché injecté dans une deuxième ?bre qui constitue l’ampli?cateur. L’originalité de ce système réside dans le cou- plage de deux cavités. Nous avons alors en sortie deux faisceaux cohérents, polarisés, monomode, indépendamment ajustables en énergie. En?n, nous avons utilisé les sources lasers développées, qui présentent des caractéristiques spec- trales, modales, énergétiques adéquats pour effectuer la conversion de fréquence. Des ef?cacités de l’ordre de 64 % et 38 % ont été atteintes respectivement en doublage et en triplage. Les faisceaux en sortie de ces systèmes possèdent des remarquables caractéristiques spatiales et temporelles.
-Oscillateurs
-Amplificateurs
-Laser
-Fibre
-Micro-structuration
-Double gaine
-Dopée Ytterbium
-Q-Switch
-Nanoseconde
-Conversion de fréquence
This work presents the development of oscillators and ampli?ers build around new ytterbium rod type ?ber. These ?ber systems generate high average power generation. The oscillator makes it possible to deliver well linearly polarized, almost TEM 00 mode, and millijoule-level nanosecond pulses at a tunable repetition rate (10-100 kHz). The spectral bandwidth was shown to be less than 0.1 nm. To achieve higher peak power and shorter pulses, two types of ampli?ers have been developed and characterized. The experimental results we obtain, do well agree with the numerical simulations we developped. The ?rst system ampli?es in a rod type ?ber the nanosecond pulses yielded by a microlaser working at 1064 nm wavelength injected . Its provides pulses with a high peak power system (500 kW). Its repetition rate was tuned from 1 kHz to 30 kHz. The second ampli?er was built using a Q-switched ytterbium doped ?ber oscillator injected in a second ?ber which acts as ampli?er. In this original system the two cavities are coupled. It delivers two nanosecond pulses that are coherent, polarized, almost TEM00 single mode beams and that can have independently tunable pulse energies. We have shown that these oscillators and ampli?ers can be easily doubled and tripled in fre- quency. Very high ef?ciency of about 64 % and 38 % have been achieved respectively at 2? and 3?. These outputs have been to have remarquable spatial and temporal characteristics.
-Oscillators
-Amplifiers
-Lasers
-Fiber
-Air clad
-Ytterbium doped
-Q-Switch
-Nanosecond pulses
-Frequency conversion
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13782/document

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Informations

Publié par
Nombre de lectures 129
Langue Français
Poids de l'ouvrage 6 Mo

Exrait

1
N° d’ordre : 3782
THÈSE
présentée à
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
ÉCOLE DOCTORALE DE SCIENCES PHYSIQUES
ET DE L’INGÉNIEUR
par Melle. Ramatou Bello Doua
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : Lasers et Matière Dense
Oscillateurs et Amplificateurs à fibres dopées
aux ions Ytterbium et Applications en optique
non linéaire
Soutenue le 01 Avril 2009,
Après avis de MM.
M. Patrick Georges Rapporteur
M. Marc Brunel
Devant la commission d’examen formée de2
M. Patrick Georges Directeur de recherche à l’institut d’optique Rapporteur
M. Marc Brunel Professeur, Université de Rennes 1
M. F. Salin Vice-président et CTO Eolite systems Pessac Examinateur
M. E. Freysz Directeur de recherche au CNRS, Directeur du CPMOH Directeur de thèse
M. J. Oberle Professeur, CPMOH Université Bordeaux 1 President du jury
M. N. Traynor Chargé d’affaires Alphanov InvitéRemerciements
La puissance de bien juger, de distinguer le vrai d’avec
le faux, qui est proprement ce que l’on nomme le bon sens,
ou la raison, est naturellement égale en tous les hommes.
RenéDescartes
Extrait du ”Discours de la méthode”
Me voilà enfin à la rédaction des remerciements tant attendus qui marque la fin
d’une époque. Oui, c’est fini la thèse ! ! ! Yes I could.
Avant de vous exposer le rapport de ces trois dernières années de travaux de thèse,
j’aimerais remercier les gens qui m’ont aidée, soutenue et supportée tout au long de
cette aventure. Comme toute aventure, celle-ci a été très fructueuse tant sur le plan
personnel que professionnel.
Cette thèse a été effectuée en étroite collaboration avec le CPMOH (Centre de
Physique Moléculaire Optique et Hertzienne) et Eolite systems dans le cadre d’une
convention CIFRE.
Amesdirecteursdethèse
Je tiens tout d’abord à remercier vivement Eric Freyz, pour avoir accepté d’être
mon directeur de thèse mais surtout pour la motivation et l’encadrement qu’il a su
m’apporter tout au long de ces trois années passées. Les remarques toujours perti-
34
nentes, ”les idées du vendredi après-midi ” ainsi que la bonne humeur pendant les
séances de manipulations ont fortement contribué à l’aboutissement de ce travail.
J’exprime ma profonde reconnaissance envers François Salin sans qui cette thèse
n’aurait jamais eu lieu. Il a toujours répondu présent à toute mes sollicitations. Je tiens
à lui rendre hommage pour ses compétences scientifiques, ses conseils avisés qui m’ont
permis d’avancer dans mes travaux. Sa disponibilité tant sur le plan professionnel que
personnel m’a permis de ne pas baisser les bras dans les moments difficiles (entre
autres les méandres d’une administration française impitoyable ! ! !).
Amonjurydethèse
Je voudrais également remercier Patrick Georges, directeur de recherche à l’ins-
titut d’optique, et Marc Brunel, professeur à l’université de Rennes pour leur lecture
attentive du manuscrit ainsi que les discussions téléphoniques fructueuses qui ont per-
mis une rédaction plus claire du rapport. Mes remerciements vont également à Jean
Oberlé, professeur à l’université Bordeaux 1 pour avoir été le président du jury.
Je tiens à exprimer ma gratitude envers Nicholas Traynor pour avoir non seulement
fait partie de mon jury de thèse mais surtout pour nos discussions très intéressantes sur
les fibres optiques et les lasers.
L’universAlphanovetEoliteSystems
J’ai découvert Alphanov (anciennement PALA) lors de mon stage de licence, et
depuis...
Pendant ma thèse, j’ai évolué dans cet univers chaleureux, de travail acharné où se
retrouve toute la communauté optique et lasers de Bordeaux et d’ailleurs. Je remercie
toute l’équipe Alphanov pour ces moments passés ensemble.
Une spéciale dédicace à Marc Faucon (marcogb) pour ses critiques constructives
dont il a les secrets, à Marie-Caroline Hernandez, à John Lopez pour sa bonne hu-
meur et ses blagues sur les grizzly. Un petit clin d’oeil à Jean Pascal Caumes, notre
marseillais qui est sur le point de devenir girondin. Eh oui je l’ai rêvé ! ! !. A Martin
Delaigue, pour nos discussions diverses et variées autour d’un verre au Saint Aubin.
Je pense également à Christophe Pierre, Marie Duruisseau et Elisabeth Boeri pour leur
aide précieuse, les conseils et l’amitié qu’ils m’ont toujours témoignée.5
Je remercie chaleureusement mes collègues d’Eolite Systems avec qui j’ai passé de
très bons moments. Merci à Sylvie Babeau, Julien Saby, Caroline Gabes, Christophe
Galles pour ne citer que ceux là. Un grand merci à Cecile Bernaud (Cecilou pour les
intimes) pour sa bonne humeur communicative, sa simplicité et sa gentillesse qui font
d’elle une amie pour toujours.
Amafamille
Je remercie enfin mes parents, mes frères et soeurs pour m’avoir soutenue et avoir
eu confiance en moi depuis toujours. Près de 4000 km nous séparent depuis bientôt dix
ans, mais vous êtes en permanence près de moi surtout pendant les moments difficiles.
Vous avez toujours été ma source d’inspiration.
Godiya ga Iyalina.
Ina nema gafara ga rekou6Table des matières
1 Introduction 17
2 Etat de l’art et généralités 23
2.1 Etat de l’art des lasers à fibre continus et déclenchés . . . . . . . . . . 23
2.2 Optique guidée dans les fibres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 L’équation d’Helmholtz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Condition de propagation monomode . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2.1 Fibres standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2.2 Les fibres microstructurées à trous manquants . . . 27
2.3 Les fibres dopées ytterbium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1 L’ion Ytterbium : Spectroscopie . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2 Utilisation des matériaux ytterbium dans un laser . . . . . . . 33
2.3.3 Les fibres microstructurées double gaine dopées Yb . . . . . . 36
2.3.4 Techniques de fabrication des fibres microstructurées double
gaine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 Mode de pompage : Diode laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3 Lasers à fibre : Oscillateurs 45
3.1 Oscillateur en régime continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.1 Modélisation : les équations d’état . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.1.1 Pompage continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.1.2 Longueur de fibre optimale . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1.3 Saturation de la pompe . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.2 Emission laser autour de 976 nm . . . . . . . . . . . . . . . 51
78 TABLEDESMATIÈRES
3.1.2.1 Principe expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.2.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.3 Emission laser autour de 1030 nm . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.3.1 Diodes de pompage utilisée . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.3.2 Milieu amplificateur . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.3.3 Optimisation de la cavité . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.3.4 Choix de la cavité . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1.4 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1.4.1 Efficacité de conversion . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1.4.2 Qualité spatiale : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.4.3 Qualité spectrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.1.5 Photonoircissement dans les fibres dopées ytterbium . . . . . 69
3.2 Oscillateur impulsionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.1 Le régime déclenché . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.1.1 Différentes méthodes de déclenchement . . . . . . 75
3.2.1.2 Efficacité et choix d’un modulateur acousto-optique 79
3.2.2 Résultats expérimentaux en régime déclenché . . . . . . . . . 81
3.3 Oscillateurs à fibres souples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4 Les amplificateurs à fibre dopée aux ions ytterbium 99
4.1 Amplification d’un microlaser dans une fibre dopée ytterbium . . . . 100
4.1.1 Le microlaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.1.2 Amplification dans les fibres avec un microlaser : Conditions
expérimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.1.2.1 Paramètres d’entrée . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.1.2.2 Réglage et injection du signal . . . . . . . . . . . . 101
4.1.3 Partie expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1.3.1 Laser 30 kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.1.3.2 Laser 10 kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.1.4 Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.1.4.1 Equations utilisées pour la modélisation . . . . . . 111
4.1.4.2 Résultats de la simulation . . . . . . . . . . . . . . 115TABLEDESMATIÈRES 9
4.1.4.3 Comparaison des résultats expérimentaux et simula-
tion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.1.5 Problèmes rencontrés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.1.5.1 Ordres de grandeur du déphasage et de la dépolari-
sation dans la fibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.1.5.2 Comparaison résultats expérimentaux et simulation 122
4.1.6 Conclusion sur les amplificateurs à fibre avec des microlasers 125
4.2 Amplificateur à fibre injecté par un oscillateur à fibre . . . . . . . . . 127
4.2.1 Montage expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2.2 Oscillateur : laser 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.2.3 Laser 2 : Comportement oscillateur . . . . . . . . . . . . . . 129
4.2.4 Oscillateur injecté . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5 Applications en optique non linéaire 143
5.1 Rappels théoriques sur la conversion de fréquence . . . . . . . . . . . 144
5.1.1 Génération de seconde harmonique . . . . . . . . . . . . . . 144
5.1.2 de troisième . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2 Accord de phase par biréfringence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.2.1 Accord de phase de type I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.2.2 Accord de phase de type II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.2.3 Accord de phase non critique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.3 Choix des cristaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.4 Longueur optimale du cristal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.5 Génération de seconde harmonique avec un oscillateur à fibre . . . . 151
5.5.1 Principe expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.5.2 Optimisation de la taille du waist : choix de la lentille de foca-
lisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.5.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.5.3.1 Efficacité de conversion . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.5.3.2 Variation en fonction de la cadence . . . . . . . . . 155
5.6 Génération de troisième harmonique avec un oscillateur à fibre . . . . 157
5.6.1 Compensation du walk-off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15710 TABLEDESMATIÈRES
5.6.2 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.7 Conversion de fréquence des impulsions fournies par l’amplificateur . 160
5.7.1 Doublage de fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.7.2 Triplage de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
5.8 Oscillateurs paramétriques accordables en longueur d’onde . . . . . . 164
5.8.1 Rappels théoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.8.2 Montage expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.8.3 Problèmes rencontrés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.8.4 Solutions proposées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
5.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6 Conclusion et perspectives 175
7 Annexes 179
7.1 Annexe 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
7.2 Annexe 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
7.3 Annexe 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

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